CN102236363A - 全速通用串行总线usb设备 - Google Patents

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叶国平
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Abstract

本发明公开了一种全速通用串行总线USB设备，包括，一RC振荡器，设置在控制器芯片内部，其输出的时钟作为USB数据处理模块的基准时钟，用于USB数据的采样和发送；一计数器，设置在控制器芯片内部，用RC振荡器输出的时钟为基准时钟，对USB任意两个连续的帧头包之间的间隔进行计数，用于调整RC振荡器的输出时钟频率；在USB主机复位设备后，且在USB主机发送正常数据之前，完成对RC振荡器的调整。本发明既能节约产品的成本，又能保证产品的正确性和兼容性。

Description

全速通用串行总线USB设备
技术领域
本发明涉及一种在个人电脑(PC)、手持移动通讯设备、摄影器材、数字电视和游戏机等多个领域被广泛应用的全速通用串行总线USB(Universal Serial BUS)设备。
背景技术
通用串行总线USB是1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术。
从1994年发表了USB初始版本以后，USB已经成为目前电脑中的标准扩展接口。USB具有传输速度快[全速设备12Mbps(12兆位每秒)，低速设备1.5Mbps]，支持设备的即插即用，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点；可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等几乎所有的外部设备。
全速USB设备采用四线的接口，除了两根电源线和地线以外，只有两根线用于差分数据的传输。因此整个USB系统采用的是异步的传输方式，没有时钟信号的传输。这就要求在USB设备端必须有相应的时钟源，用于USB主机发送到设备端数据的采样以及USB设备端本身数据的发送；而且还要求USB设备端所提供的时钟源的频率必须和USB的总线频率一致，这样才能保证数据采样的正确性以及数据发送的有效性。
全速USB设备是由一个控制器芯片加上一些外围电路组合而成，而且目前在大多数全速USB设备中，对时钟源所采用的处理方式是在控制器芯片的基础上，再加上一个芯片外部的晶体振荡器。控制器芯片提供两个端口用于与外部的晶体振荡器的连接，并使用外挂的晶体振荡器的输入作为时钟源，用于处理USB数据。
这种处理方式的优点在于简单易行，控制器芯片只用于处理USB的数据，而时钟由外挂的晶体振荡器提供。但这种处理方式也带来一些问题，首先是产品的成本问题，产品需要增加一个晶体振荡器的成本，而且控制器芯片需要提供两个专门的端口用于和晶体振荡器的连接。其次，对晶体振荡器的精度要求很高，USB协议对USB总线频率的定义是，全速设备12Mbps±0.25％，低速设备1.5Mbps±1.5％，这就要求外挂晶体振荡器的精度也是±0.25％。最后，产品在兼容性上有一定的风险，由于USB总线频率存在误差，晶体振荡器也存在误差，当这两个误差都比较大而且反向时，存在USB设备错误采样和发送数据不同步的风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全速通用串行总线USB设备，既能节约产品的成本，又能保证产品的正确性和兼容性。
为解决上述技术问题，本发明的全速通用串行总线USB设备包括：
一RC振荡器，设置在控制器芯片内部，其输出的时钟作为全速USB设备中控制器芯片的USB数据处理模块的基准时钟，用于USB数据的采样和发送；
一计数器，设置在控制器芯片内部，用RC振荡器输出的时钟为基准时钟，对USB任意两个连续的帧头包之间的间隔进行计数，用于调整RC振荡器的输出时钟频率；在USB主机复位设备后，且在USB主机发送正常数据之前，完成对RC振荡器的调整。
由于采用上述技术方案，本发明是一种无晶振的全速通用串行总线USB设备；使用控制器芯片内部可调节的RC振荡器作为芯片时钟源，利用全速通用串行总线USB的帧头包(SOF包，对于低速设备为keep-alivestrobe包)每一毫秒发送一次的特性对RC振荡器进行调节，使用校正后的RC振荡器的时钟为基准时钟来采样和发送USB数据。这种控制器芯片内的RC振荡器与控制器芯片外的晶体振荡器相比，不需要加入外挂的晶体振荡器，这样可以降低全速USB设备的成本，同时自调整的芯片时钟源可以保证芯片与任意USB主机的时序相配合，从而保证产品的正确性，并使产品具有很好的兼容性。
具体实施方式
USB协议中定义，USB主机在复位USB设备后，为了保证USB总线的运行状态，开始向USB设备发送帧头包，而且每隔一个毫秒USB主机发送一个帧头包到USB设备。帧头包并不包含有用信息，只是用于保证USB总线不处于空闲状态。
所述的全速通用串行总线USB设备就是利用了USB的这个特点，使用了一个控制器片内可配置的RC振荡器加一个计数器的组合，实现USB总线数据同步时钟源的产生。所述RC振荡器的输出频率是可配置的，用于和USB数据频率相匹配，中心输出频率为6MHz，输出频率调节的步长为中心频率的1％(0.06M)，调节的范围是±15％。下表介绍了RC振荡器配置信息和输出频率的关系，通过调整配置端口的输入，可以调整RC振荡器的输出频率。
  配置端口   输出频率(Hz)
  8’h70   5.1M
  ...
  8’h7d   5.88M
  8’h7e   5.94M
  8’h7f   6M
  8’h80   6.06M
  8’h81   6.12M
  ...
  8’h8e   6.9M
初始情况下，控制器芯片内RC振荡器的中心输出频率是6MHz，所述计数器以RC振荡器的输出为时钟基准，对USB主机发送的每两个帧头包之间的1毫秒间隔进行计数，在这种情况下(中心输出频率6MHz，1毫秒间隔)计数器的期望值是1770H。但是由于工艺误差，芯片内部RC振荡器的输出会存在误差，同时USB主机发送帧头包的间隔也会存在误差；这样就使计数器的实际计数值与期望值之间出现差值，计数器利用该差值作为校正量，对RC振荡器的输出时钟频率进行调整。当实际计数值小于1770H时，表示RC振荡器输出频率偏慢，应该将其调高一点，将配置端口的值设置成大于7fH的值。反之，当实际计数值大于1770H时，表示RC振荡器输出频率偏快，应该将其调低一点，将配置端口的值设置成小于7fH的值。
RC振荡器的输出时钟频率的调整工作在USB主机复位USB设备之后，而且在USB主机发送正常数据到USB设备之前完成。USB协议规定，USB设备复位后，USB主机发送帧头包到USB设备，以保证USB总线处于忙碌状态。计数器利用这段时间完成RC振荡器输出频率的调整工作，以保证接下来USB正常数据的接收和发送。
下表是利用计数器调整RC振荡器的参数表。第一列是计数器的实际计数值。第二列为由于计数器基准时钟的误差所得出的错误计数时间，它与1毫秒的差值用于产生RC振荡器的配置信号。第三列和第四列用于简化芯片的硬件设计，这样在硬件设计中，只需要建立计数器高7位和配置端口值偏移量的对应关系就可以实现调整RC振荡器的功能。
  实际计数器值   代表时间   计数器Bit[11:6]   计数器Bit[5]   配置端口值的偏移量
  13ec   0.85ms   00_1111   +4’hf
  1428   0.86ms   01_0000   +4’he
  1464   0.87ms   01_0001   +4’hd
  14a0   0.88ms   01_0010   +4’hc
  14dc   0.89ms   01_0011   +4’hb
  1518   0.9ms   01_0100   +4’ha
  1554   0.91ms   01_0101   +4’h9
  1590   0.92ms   01_0110   +4’h8
  15cc   0.93ms   01_0111   +4’h7
  1608   0.94ms   01_1000   +4’h6
  1644   0.95ms   01_1001   +4’h5
  1680   0.96ms   01_1010*   0   +4’h4
  16bc   0.97ms   01_1010*   1   +4’h3
  16f8   0.98ms   01_1011   +4’h2
  1734   0.99ms   01_1100   +4’h1
  1770   1ms   01_1101   4’h0
  17ac   1.01ms   01_1110   -4’h1
  17e8   1.02ms   01_1111   -4’h2
  1824   1.03ms   10_0000   -4’h3
  1860   1.04ms   10_0001   -4’h4
  189c   1.05ms   10_0010   -4’h5
  18d8   1.06ms   10_0011   -4’h6
  1914   1.07ms   10_0100   -4’h7
  1950   1.08ms   10_0101   -4’h8
  198c   1.09ms   10_0110   -4’h9
  19c8   1.1ms   10_0111   -4’ha
  1a04   1.11ms   10_1000   -4’hb
  1a40   1.12ms   10_1001   0   -4’hc
  1a7c   1.13ms   10_1001   1   -4’hd
  1ab8   1.14ms   10_1010   -4’he
  1af4   1.15ms   10_1011   -4’hf
调整之后的RC振荡器的输出时钟将和当前USB总线的速度相匹配，从而能够保证USB设备数据采样的正确性和数据发送的有效性。
以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但在具体实施的时候，设计人员可以在本发明的原理下做适当的调整和变化，比如控制器芯片内的振荡器类型，振荡器的中心频率，振荡器的调整步长，振荡器的调整范围等等。这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种全速通用串行总线USB设备，其特征在于：包括，
一RC振荡器，设置在控制器芯片内部，其输出的时钟作为USB数据处理模块的基准时钟，用于USB数据的采样和发送；
一计数器，设置在控制器芯片内部，用RC振荡器输出的时钟为基准时钟，对USB任意两个连续的帧头包之间的间隔进行计数，用于调整RC振荡器的输出时钟频率；在USB主机复位设备后，且在USB主机发送正常数据之前，完成对RC振荡器的调整。
2.如权利要求1所述的USB设备，其特征在于：所述RC振荡器输出频率的中心值为6M Hz/s。
3.如权利要求1所述的USB设备，其特征在于：所述RC振荡器输出频率可调节，用于和USB数据频率相匹配；调节的步长为中心频率的1％，调节的范围是±15％。
4.如权利要求1所述的USB设备，其特征在于：所述RC振荡器的校正量为计数器的实际计数值与期望值之间的差值。
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